Голография: как это сделано

Изобретение, сделанное не для того

В 1948 году венгерско-британский инженер Деннис Габор опубликовал в Nature заметку на две страницы под названием «Новый микроскопический принцип».

Слово «микроскопический» тут ключевое. Габора не интересовали объёмные картинки. Он бился над электронным микроскопом: электронные линзы искажали изображение, и разрешение упиралось не в природу, а в качество оптики.

Он предложил обход. Записать не изображение, а всю волну целиком — вместе с фазой, — а восстанавливать и исправлять уже потом, отдельным шагом, светом. Метод он назвал по-гречески: holos — целый, graphe — запись. Запись целого.

Для электронного микроскопа затея тогда не выстрелила. Но и с обычным светом было не легче: чтобы записать фазу, нужен когерентный источник, а лазера ещё не существовало. Габор работал с ртутной лампой через узкую диафрагму, теряя почти всю яркость, и получал мутные, наложенные друг на друга изображения.

Нобелевскую премию по физике он получил только в 1971 году — через двадцать три года, когда лазеры уже сделали голографию настоящей.

Ленинград, лампа вместо лазера

Пока на Западе ждали лазера, в Ленинграде происходило нечто, о чём почти никто не знал.

Юрий Николаевич Денисюк начал опыты по «интерференционной фотографии» в 1958 году. Лазера у него не было — его вообще ещё не было ни у кого. Денисюк взял ртутную лампу высокого давления: света мало, зато он достаточно когерентен, если правильно с ним обойтись.

И он придумал другую схему. Не ту, где опорный и предметный лучи идут с одной стороны, а встречную: свет проходит сквозь пластинку, освещает предмет за ней, отражается и возвращается на ту же пластинку с обратной стороны.

Разница оказалась принципиальной. При встречных пучках интерференционные слои ложатся в глубине эмульсии, параллельно её поверхности. Такая слоистая структура отражает избирательно, как отражает многослойное покрытие на объективе, — то есть сама выбирает из падающего света нужную длину волны.

Следствие: голограмму Денисюка видно в обычном белом свете. Лампа, окно, солнце — годится всё. Не нужен лазер для просмотра.

Работу он опубликовал в 1962 году. Это то, что сегодня висит на стенах музеев и лежит в витринах: объёмные предметы, светящиеся под обычной лампой.

Как это встретили

Плохо.

Идею записывать форму волновых фронтов интерференцией в Академии наук приняли с глубоким подозрением. Работы Денисюка оставались в тени до тех пор, пока в Америке Эммет Лейт и Юрис Упатниекс не сделали голограммы на лазере — и тогда тема вдруг стала признанной во всём мире.

Ленинскую премию Денисюк получил в 1970 году. Международное признание пришло позже.

Хронология здесь важна. Габор придумал принцип, но не имел источника света. Денисюк придумал схему, которая работала на том, что было, — и сделал это за четыре года до того, как лазеры вошли в обиход. Лейт и Упатниекс дали методу лазер и славу.

Ни один из троих не «изобрёл голографию» целиком.

Что из этого действительно производят

Голограмма давно вышла из лаборатории, только не туда, куда ждали.

Защитные голограммы. Радужный квадратик на банкноте, на документе, на упаковке лекарства. Это тиснёные голограммы: рельеф с шагом порядка длины волны выдавливается металлическим штампом на фольге или лаке. Массово, дёшево, миллионами — а подделать трудно, потому что для изготовления мастер-штампа нужна полноценная оптическая лаборатория.

Это, кстати, самая распространённая в мире голограмма. Она лежит у вас в кармане прямо сейчас.

Голографические оптические элементы. Записанная интерференционная структура работает как линза, зеркало или решётка — но плоская и избирательная по длине волны. Такие элементы стоят в сканерах штрихкода, в дисплеях дополненной реальности, в некоторых прицелах.

Голографическая интерферометрия. Записывают две голограммы одного предмета — до нагрузки и после. Наложение показывает деформации размером в доли микрона: где деталь повело, где пошла трещина. Неразрушающий контроль лопаток турбин, конструкций, произведений искусства.

Музейное копирование. Точная объёмная копия хрупкого экспоната, которую можно возить по выставкам, не трогая оригинал.

Материалы. Пластинки для всего этого до сих пор выпускают, в том числе в России — «Славич» в Переславле-Залесском делает высокоразрешающие галогенсеребряные материалы, на которых голограммы записывают и любители, и лаборатории.

А теперь про экраны, которых нет

Слово «голограмма» вошло в маркетинг и потеряло смысл. Разберём, что за ним скрывается.

Случай первый: призрак Пеппера

В 2012 году на фестивале Coachella на сцене появился умерший за шестнадцать лет до того Тупак Шакур. Пресса назвала это голограммой. Компания-исполнитель говорила о «четырёхминутном голографическом выступлении».

Голограммы там не было.

Использовали «призрак Пеппера» — сценический приём, описанный в 1860-х годах. Внизу или сбоку от сцены, вне поля зрения зрителя, находится ярко освещённая площадка. Над сценой под углом натянуто прозрачное полотно или стекло. Зритель смотрит сквозь него на сцену и одновременно видит отражение скрытой площадки. Отражение выглядит парящим в воздухе.

Никакой записи волнового фронта. Плоская картинка в отражении, видимая только из зрительного зала и только под нужным углом. Обойти её нельзя.

Тот же приём — во всех «голографических пирамидках» для смартфона и в старых аттракционах с привидениями.

Случай второй: вентилятор со светодиодами

Лопасти с линейкой светодиодов раскручиваются, и за счёт инерции зрения в воздухе повисает изображение. Продаётся как «3D-голограмма».

Это плоская картинка, нарисованная в плоскости вращения. Сбоку — ничего.

Случай третий: «объёмный» экран без очков

Автостереоскопические дисплеи подают в левый и правый глаз разные изображения через линзовый растр или барьер. Объём есть, но это стереопара, тот же принцип, что в стереоскопе XIX века. Фазу света такой экран не восстанавливает; работает он только из определённых зон перед экраном.

Чем отличается настоящее

Отличить просто. У настоящей голограммы есть параллакс движения: сдвинулись — и заглянули за край предмета, увидели то, чего с прежней точки не было видно. И глаз фокусируется на разную глубину, как на реальной сцене.

Ни один из перечисленных экранов этого не даёт.

Почему настоящий голографический дисплей так труден

Чтобы управлять светом как голограмма, экран должен менять свойства на масштабе порядка длины волны — сотые доли микрона. У обычного дисплея пиксель в сотни раз крупнее.

Отсюда два барьера. Первый — изготовить модулятор с таким шагом и на большой площади. Второй — прокачать через него данные: объём информации в динамической голограмме на порядки больше, чем в видео того же размера.

Работы идут, лабораторные образцы существуют. Но между «получилось на стенде размером с ладонь» и «висит в гостиной» лежит именно эта пропасть, а не отсутствие идеи.

🗺 Карта открытий

Что тут стоит запомнить

Два вывода, и они разной природы.

Первый — про то, как делаются открытия. Габор придумал принцип, решая совсем другую задачу, и двадцать три года ждал премии. Денисюк нашёл схему, работающую без лазера, — и годами упирался в недоверие собственной Академии. Признание пришло к нему кружным путём: через Америку, где сделали другое, но с лазером.

Второй — про слова. «Голограмма» сегодня означает в рекламе примерно что угодно светящееся и необычное. За этим словом чаще всего стоит приём полуторавековой давности с наклонным стеклом.

Проверка занимает две секунды и не требует никаких приборов: сдвиньте голову вбок. Если из-за края предмета ничего не показалось — перед вами не голограмма.

Читать дальше

→ Голограмма своими руками: записать волну самому — от пирамидки из пластика до схемы Денисюка → Как работает лазер: что такое когерентность и почему без неё ничего не выйдет → Свет под напряжением: другой способ управлять светом — эффекты Керра и Поккельса → Смартфон: как это сделано: ещё одна витрина, где физика превратилась в деталь